断裂力学引伸计

由中国机械工程学会、中国材料研究学会、中国航空学会、中国金属学会、 中国力学学会、中国腐蚀与防护学会等多家组织联合主办的“第十八届全国疲劳与断裂学术会议”将于2016年4月15-17日在河南省郑州市光华大酒店召开。 该会议是国内疲劳与断裂领域最权威，规格最高的学术交流会议，旨在提供一个广泛的学术与技术交流平台，活跃学术氛围，促进学科交流，推动我国疲劳与断裂研究领域学术与应用技术的发展与进步。 会议主题： 疲劳与断裂力学 疲劳与断裂物理 复杂环境下的材料失效与破坏 典型材料与结构的破坏理论研究 重大装备的疲劳与断裂工程应用 航空航天中的疲劳与断裂工程应用 疲劳与断裂理论的其他典型工程应用 长春机械科学研究院作为目前中国工程试验设备领域、规模最大，最具竞争力和影响力的科研院所企业应邀参加此次盛会。并将在现场展示静压支撑伺服油缸、原位仪、高温引伸计、传感器等我院在工程试验领域新产品。 我院副总工程师，国内动态疲劳试验设备领域著名专家张泳将在专题研讨会上介绍当前国内外疲劳试验领域先进技术及发展方向，并与与会专家学者探讨疲劳试验过程中遇到的问题以及解决方案。 全国疲劳与断裂学术会议每两年举办一届，由中国机械工程学会、中国材料研究学会、中国航空学会、中国金属学会、中国力学学会、中国腐蚀与防护学会六学会轮流主办。“第十八届全国疲劳与断裂学术会议”由中国机械工程学会和郑州大学承办。 断裂与疲劳是结构的主要破坏形式，有关数据表明，断裂、疲劳与磨损每年带来的破坏约相当于国民经济总产值的4％。因此，世界各国都十分重视断裂破坏机理的研究、破坏和失效的防范。疲劳断裂的研究与应用领域涉及航空、航天、船舶、机械、土木、建筑、水利工程、微电子、生物医疗器械、交通运输等各个领域。我国正处在快速发展阶段，高楼大厦拔地而起，高速铁路日新月异，重大工程项目不断启动；与此同时，地震、山体滑坡、桥梁和建筑坍塌、压力容器和管道破裂等自然灾害和人为事故时有发生，给科研工作者提出了极大的挑战。 大会顾问(按姓氏拼音为序)： 陈学东、方岱宁、甘晓华、洪及鄙、洪友士、柯伟、李鹤林、李应红、王中光、杨卫、余寿文、钟群鹏、张统一 大会主席： 赵振业 大会副主席(按姓氏拼音为序)： 冯西桥、韩恩厚、李晓刚、陶春虎、涂善东、赵明皞、张跃 学术委员会主任(按姓氏拼音为序)： 方岱宁、洪友士 学术委员会副主任(按姓氏拼音为序)： 乔利杰、尚成嘉、王铁军、蔚夺魁、张哲峰 学术委员会委员(按姓氏拼音为序)： 白秉哲、蔡力勋、陈 旭、陈跃良、高存法、高玉魁、亢一澜、何国球、洪友士、黄培彦、惠卫军、康国政、李小武、李晓延、李秀程、李玉龙、李振环、吕乐丰、施惠基、宋迎东、苏彬、孙军、王清远、王 翔、魏悦广、 吴林志、谢里阳、许金泉、徐友良、杨晓光、杨旭、于慧臣、曾德长、张广平、张立新、张嘉振、张克实、张俊乾、仲政、庄茁 更多相关内容，敬请持续关注长春机械院官方网站及官网微信平台 【会议时间】2016年4月15-17日 【会议地址】河南省郑州市光华大酒店 【咨询电话】400-965-1118 【现场联系】金祥彬 13604366632

仪器化划入方法已经成功应用于测试各种材料（包括硬的合金、陶瓷、金属、岩石[1]和软的高分子聚合物、碱硅酸盐凝胶[2]等）的断裂韧度（跨越两个数量级）在材料科学与工程领域具有巨大应用前景，尤其是评估微米级材料或多尺度复合材料（比如碎屑-橡胶混凝土[3]、再生混凝土[4]、水泥[5]、页岩[1, 6, 7]，骨头[8]、功能梯度和复合涂层[9]）的断裂性能，其诸多优势包括：结果与传统方法（比如单边缺口试样的三点弯曲、紧凑拉伸）测量值一致；重复性好；材料体积小；设备操作、数据分析简单；近乎无损检测（微米级划入测试划入深度一般在十几微米）；尤其是试样制备简单，不需要预制缺口或裂纹；测试成本和周期都大大减小[10]。仪器化划入过程的实物图和示意图见图 1[11]。在仪器化划入过程中，利用侧向力和压入深度可以计算出材料的断裂韧度。仪器化划入表征断裂韧度主要有两种理论：一种是线弹性断裂力学（linear elastic fracture mechanics or LEFM）；另一种是能量尺寸效应理论（microscopic energetic size effect laws or ESEL）。理论都是假设在压头前端存在沿水平扩展的裂纹，见图 2[12]。这种裂纹模式在直刚刀压头划入石蜡的实验中体现得最好，见图 3[13]。对于直压头：三维裂纹的横截面是长方形。能量释放率可以由J-积分计算，再结合断裂准则，即可以建立利用侧向力和压入深度计算断裂韧度的关系式。图 1 仪器化划入测试实物图及示意图：（a）直钢刀压头划入石蜡；（b）倾斜直钢刀压头划入测试示意图；（c）Rockwell C压头划入薄膜材料；（d）轴对称压头划入示意图（压入深度d，压头尖端圆角半径R，侧向力FT，划痕方向x）图 2 利用轴对称压头划入过程的侧视图（左图）和正视图（右图）。x 是划痕方向，FT 是水平侧向力，FV 是竖直正压力，d 是压入深度，n 是压头与材料接触界面朝材料外侧的单位法向，A 是承载侧向力的面积投影，p 是压头与材料接触界面的周长图 3 石蜡在直钢刀压头仪器化划入过程中压头前端水平扩展的裂纹：（a）实验结果；（b）理想的裂纹形状示意图（具有长方形横截面的三维裂纹，需要裂纹长度l、刀具宽度w、压入深度d 三个尺寸表征）不同的学者提出了不同的分析方法，断裂韧度Kc 可以通过拟合仪器化划入的实验数据获得[10, 14-19]：其中Λ=A/(2P)是名义长度，p 和A 分别是周长和水平投影面积（见图 2），都是压入深度d 的函数[12]。利用线弹性断裂力学可以直接计算出断裂韧度Kc已知压头几何形状可以得到p(d)和A(d)，f=2p(d)A(d) 即压头形状函数：对于圆锥压头，f 与d3 成正比；对于圆球压头，f 与d2 成正比。图 4是利用Rockwell C压头划入钢材的结果[20]。示意图见图 4（a）。在划入过程中，施加线性增大的正压力FV，如图 4（b），同时记录侧向力FT 和压入深度d。数据与划痕残余形貌一一对应，形貌见图 4（c），并且可以利用声发射分析断裂过程，如图 4（d）。图 4 利用圆锥压头分析钢材料的断裂韧度：（a）圆锥压头仪器化划入过程示意图（划痕方向沿X 轴，FV 和FT 分别是正压力和侧向力）；（b）划入过程中在施加线性加载的正压力的同时记录侧向力；（c）划痕残余形貌；（d）侧向力和压入深度的关系（左轴）和声发射（右轴）当圆锥部分起主导作用时，FT/d3/2趋近于一条水平线，这说明划入过程由断裂机制控制，声发射信号也直接验证了断裂的发生。可见，利用划入方法测试材料的断裂韧度需要适合的加载条件，只有当载荷足够大，断裂机制占主导时才能应用线弹性断裂力学的公式计算断裂韧度，但是过大的载荷会产生很多扩展方向不同的裂纹，使得只有一条裂纹扩展的假设不成立。声发射信号是确定断裂发生的有效手段，可以用于区分断裂的程度（剧烈的断裂会使得声发射信号饱和），寻找适合的加载力范围。FT/d3/2一直在波动，这种锯齿状数据是切削的典型特征，与传统测试（比如紧凑拉伸中只有一个裂纹产生）明显不同，划入过程中会产生很多裂纹，所以有必要对平稳段的数据取平均[21]。仪器化划入方法已经成功应用于各种材料的断裂韧度表征[22, 23]，比如：高分子材料（聚碳酸酯PC[18]、改性石墨烯添加的环氧树脂基复合材料[24]）、玻璃（熔融石英硅[25]、K9玻璃[26]）、金属（紫铜[27, 28]）、半导体材料（单晶硅和碳化硅[29]）等。表 1比较了部分材料的仪器化划入测试结果与传统方法测试结果，划入法测试与传统方法测试结果大体一致，差异很有可能是由于材料的各向异性和不均匀造成的，因为划入法表征的是表面微观区域的力学性能，传统方法测试的是宏观力学性能。所以划入法可以表征材料断裂韧度的分布，适合于异质复合材料各组织以及界面的力学性能表征，研究不同尺度结构的断裂性能，这些都是先进材料及微纳米器件发展迫切需要解决的关键测试表征技术，尤其在表面微观力学领域有广阔的应用前景。表 1 利用仪器化划入方法表征各种材料的断裂韧度（MPa• m1/2）压头（形状尺寸）及方法材料（牌号）：划入法测的断裂韧度（传统方法测试值）单位（国家）[参考文献]Rockwell C压头（2θ=120°，R=200 μm），线弹性断裂力学铝合金(AA 2024)：34.4±3 (32~37)热塑性聚合物（Delrin Grade 150）：2.5±0.2 (2.9±0.5)麻省理工学院（美国）[20] Rockwell C 压头（2θ=120°，R=200 μm），线弹性断裂力学钠钙玻璃：0.71±0.03 (0.70)耐热高硼硅玻璃：0.68±0.02 (0.63)热塑性聚合物(Delrin 150E) ：2.75±0.05 (2.8)热塑聚碳酸酯：2.76±0.02 (2.69)铝合金(2024-T4/T351) ：28.8±1.3 (26~37)AISI-1045：62.2±2.6 (50)AISI-1144：62.2±2.6 (57~67)Titanium 6Al-4V：77.0±3.4 (75)麻省理工学院（美国）[22]直钢刀压头，线弹性断裂力学（LEFM）和能量尺寸效应方法(ESEL)石蜡：0.14 (0.15)水泥：0.66~0.67 (0.62-0.66)侏罗纪石灰岩：0.56 (ESEL), 0.34 (LEFM)A-51w：0.82 (ESEL), 0.81 (LEFM)B-4w：0.74 (ESEL), 0.72 (LEFM)B-12w：0.78 (ESEL), 0.78 (LEFM)麻省理工学院（美国）西北大学（美国）伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（美国）[21]直钢刀压头、Rockwell C线弹性断裂力学水泥（直钢刀压头）：0.66±0.05 (0.67)钢材（Rockwell C压头）：40±0.2 (50)麻省理工学院（美国）[11]直钢刀压头能量尺寸效应方法水泥：0.66(0.65~0.67)伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（美国）[23]Rockwell C压头线弹性断裂力学（LEFM）和能量尺寸效应方法(ESEL)塑料（Delrin）：3.26 (LEFM)，2.85 (ESEL)聚碳酸酯（Lexan）：2.87 (LEFM)，2.38 (ESEL)熔融石英硅：0.96 (LEFM)，0.96 (ESEL)传统测试结果：塑料（2.8）、聚碳酸酯（2.2）、熔融石英硅（0.8）科罗拉多大学（美国）麻省理工学院（美国）[28]Rockwell C压头能量尺寸效应方法聚缩醛 ：3.16 (2.8)石蜡：0.14 (0.14)聚碳酸酯（Lexan 934）：2.8 (2.69)铝：32.53 (32)伊利诺伊大学厄巴纳-香槟分校（美国）[40]圆球压头线弹性断裂力学熔融石英硅：0.7 (0.68~0.75)K9玻璃：0.85 (0.82)福州大学（中国）[45,46]Rockwell C压头线弹性断裂力学聚碳酸酯：2.3 (2.2)福州大学（中国）[43]作者简介刘明，福州大学机械工程及自动化学院教授，福建省闽江学者特聘教授、福州大学旗山学者海外人才、福建省高层次境外引进C类人才，全国钢标准化技术委员会力学及工艺性能试验方法分技术委员会金属材料微试样力学性能试验方法工作组（SAC/TC183/SC4/WG1）委员、ISO 14577系列国际标准制修订国内工作组成员。1985年出生于哈尔滨市，哈尔滨工业大学本科、硕士，肯塔基大学（美国）博士，法国巴黎高科矿业工程师学校材料研究所博士后、华盛顿州立大学（美国）博士后。主要研究领域为微观力学及仪器化压入划入测试方法。作者邮箱：mingliu@fzu.edu.cn 参考文献[1] A.-T. Akono, P. Kabir, Microscopic fracture characterization of gas shale via scratch testing, Mechanics Research Communications, 78 (2016) 86-92.[2] C.V. Johnson, J. Chen, N.P. Hasparyk, P.J.M. Monteiro, A.T. Akono, Fracture properties of the alkali silicate gel using microscopic scratch testing, Cement and Concrete Composites, 79 (2017) 71-75.[3] A.-T. Akono, J. Chen, S. Kaewunruen, Friction and fracture characteristics of engineered crumb-rubber concrete at microscopic lengthscale, Construction and Building Materials, 175 (2018) 735-745.[4] A.-T. Akono, J. Chen, M. Zhan, S.P. Shah, Basic creep and fracture response of fine recycled aggregate concrete, Construction and Building Materials, 266 (2021) 121107.[5] J. Liu, Q. Zeng, S. Xu, The state-of-art in characterizing the micro/nano-structure and mechanical properties of cement-based materials via scratch test, Construction and Building Materials, 254 (2020) 119255.[6] M.H. Hubler, F.-J. 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8月21-24日，由中国金属学会、中国力学学会、中国腐蚀与防护学会、中国机械工程学会、中国材料研究学会、中国航空学会共同举办的第二十一届全国疲劳与断裂学术会议在山东省青岛市黄岛区中铁世博城国际会议中心成功召开。 疲劳与断裂是材料服役的主要失效形式。疲劳与断裂的研究涉及材料研发、机械制造、现代交通、基础设施建设、石油化工和航空航天等重要行业和关键领域。会议不仅邀请多位专业领域的知名专家开展学术报告交流近两年来的学术进展和今后的发展方向，而且邀请多家知名力学相关企业参展，为各参展单位提供了更多交流与合作的机会。 作为知名材料力学检测设备供应商，万测携电液伺服疲劳试验机精彩亮相。该疲劳试验机结构小巧，外形美观，主要用于金属材料、复合材料及零部件、生物骨骼、弹性体的疲劳力学性能试验。可实现拉伸、压缩、弯曲、拉压加载、高周疲劳、低周疲劳等试验；配置相关辅助测量装置亦可实现断裂力学试验。凭借优秀的外观设计和专业的技术水平，受到了参会嘉宾的广泛关注，展位前咨询人群络绎不绝。 万测多年来致力于各种材料的疲劳力学性能检验，旗下拥有多种电子伺服疲劳试验机、电液伺服疲劳试验机，在国防军工、航空航天、高等院校等众多领域为大量客户提供了专业高效的动态疲劳试验解决方案。今后，万测也将继续立足试验机领域，着眼客户需求，持续技术创新，为材料力学的发展贡献出自己的一份力量。